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Die Prinzipien der Konformationsanalyse (Nobel-Vortrag).

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Stickstoff-Chlor-Bindungen an sechs Nachbarmolekule gebunden. Dabei ist die C-C1-N-Anordnung sehr
wahrscheinlich streng linear. Als die zitierte Arbeit 1111
veroffentlicht wurde, lagen noch keine experimentellen
Ergebnisse uber ahnliche Charge-transfer-Bindunger
vor, und es uberrascht daher nicht, dalj die Autorer
es versaumten, ihre Ergebnisse durch Annahme vor
Bindungen zwischen Stickstoff und Chlor zu inter.
pretieren.
Wenn sich n-Donoratome wie Sauerstoff oder Stickstoff an Wasserstoffbrucken beteiligen, ergibt sich meist
eine ahnliche Anordnung der Atome wie bei den
Charge-transfer-Komplexen, in denen das gleiche
Donoratom an ein Halogenatom gebunden ist. Es ist
nicht iiberraschend, dal3 ein Austausch der Chloratome
im Cyanurchlorid gegen Hydroxygruppen (Cyanursaure) oder gegen Aminogruppen (Melamin) zu Kristallstrukturen fuhrt, die der des Cyanurchlorids sehr
ahnlich sind. Die Stickstoffatome des aromatischen
Ringes werden dann durch Wasserstoffbrucken an die
Hydroxy- bzw. Aminogruppen in den benachbarten
Molekiilen gebunden.
Nicht immer fuhrt die Komplexbildung durch Chargetransfer-Wechselwirkung zwischen n-Donoratomen
und Halogenatomen von Halogenverbindungen zu
wesentlich kurzeren Bindungen als aufgrund der vander-Waals-Wechselwirkung zu erwarten ware. Man
kann das teilweise darauf zuriickfuhren, dalj der Charakter der van-der-Waals-Radien in gewisser Weise
,,diffus" ist, aber teilweise auch darauf, dalj bei sehr
schwachen Charge-transfer-Wechselwirkungen die Bindung eine Art Zwischenstellung einnimmt. Das Auftreten einer Charge-transfer-Wechselwirkung wird
durch den Winkel angezeigt, den die Richtung der
Bindung zwischen Halogen- und Donoratom rnit der
Richtung der Bindung zwischen dem Halogenatom
und dem mit ihm verbundenen Atom im Acceptormolekul bildet. Diese Bindungen neigen dazu, miteinander einen Winkel von 180 zu bilden. Der Bei-
trag der Charge-transfer-Wechselwirkung zur Bindung erhoht sich betrachtlich, wenn ein leichtes Halogenatom durch ein schwereres ersetzt wird. Entsprechend ist im 1:1-Pyrazin-Tetrajodlthylen-Komplex
der Abstand zwischen Stickstoff und Jod tatsachlich
ein wenig kiirzer als der Abstand zwischen Stickstoff
und Brom im entsprechenden TetrabromathylenKomplex.
Selbst in Komplexen, in denen ,,aktive" Wasserstoffatome an Stickstoff- und Sauerstoffatome gebunden
sind, kann man die Bindungslangen nur schwer exakt
vorhersagen. Die gemessenen Werte sind dort oft nur
unwesentlich kleiner als die unter der Annahme von
van-der-Waals-Wechselwirkungen berechneten Werte.
In solchen Fallen mussen sich die Argumente fur eine
schwache ,,Wasserstoff briicke" zwischen Donor- und
Acceptormolekul auf die Geometrie des Komplexes
stiitzen.
Ein groljer Teil der gegenwartigen Kenntnisse uber die
Anordnung der Atome in Donor-Acceptor-Komplexen ruhrt von Rontgenstrukturuntersuchungen an festen Addukten her, in denen Molekule rnit Sauerstoffoder Stickstoffatomen usw. als Donor und Molekule
rnit Halogen- oder ,,aktiven" Wasserstoffatomen als
Acceptor fungieren. In einigen Fallen erwiesen sich
fruhere Vorstellungen, die sich auf spektroskopische
Beobachtungen stutzten, als inkorrekt. Fiir die Anordnung (und zu einem gewissen Grad sogar fur die
Lange) der Bindungen wurden einfache Regeln aufgestellt. Sehr eindrucksvoll und ganzlich unerwartet
ist die weitgehend analoge Anordnung der Atome in
Komplexen, die von der gleichen Art Donoren rnit den
beiden so verschiedenen Klassen von Acceptoren gebildet werden. Vielleicht konnen die Ergebnisse der
direkten Rontgenstrukturanalyse zum theoretischen
Verstandnis beider Kategorien der Donor-AcceptorWechselwirkung beitragen.
Eingegangen am 4. Mai 1970
[A 7881
ubersetzt von Dip1.-Chem. Bernd Riberi, Aachen
Die Prinzipien der Konformationsanalyse (Nobel-Vortrag)[ **I
Von D. H.R. Barton[*
,,I1 y a trois pe'riodes dans l'histoire de toute decouverte.
Quand elle est annoncke pour la premi2re fois, les gens
pensent que ce n'est pas vrai.
Puis, un peu plus tard, quand son exactitude leur parait
si flagrante qu'ils ne peuvent plus la nier, ils estiment
que ce n'est pas important.
Apr2s cela, si son importance devient assez manifeste,
ils disent: en tout cas, ce n'est pas nouveau."
William James
Die grol3e Bedeutung der Konformationsanalyse fur
die Chemie zeigte sich wahrend der ersten zehn Jahre
nach dem zweiten Weltkrieg. Deshalb gibt dieser Vortrag hauptsachlich eine Zusammenfassung eines Kapitels Chemiegeschichte und weniger einen Bericht
uber neuere Ergebnisse. Um den Wert der Konformationsanalyse einschatzen zu konnen, ist es sinnvoll,
zunachst kurz auf die Entwicklung der Strukturtheorie
der Organischen Chemie einzugehen.
[*I Prof. Dr.
[ **] Copyright 0The Nobel Foundation 1970. - Wir danken
D. H. R. Barton
Imperial College
London SW 7 (England)
Angew. Chem. 82. Jahrg. 1970 Nr. 20
__-
der Nobel-Stiftung, Stockholm, fur die Genehmigung zum
Druck dieser Ubersetzung.
827
Dank der theoretischen Arbeiten von Kekulk und anderen Chemikern wurde es in der zweiten Halfte des
19. Jahrhunderts moglich, jeder organischen Verbindung eine Konstitution zuzuordnen. Die Konstitution,
die in der Mehrzahl der FIlle eindeutig ist, beschreibt,
welche Atome eines Molekiils miteinander verbunden
sind. Die Stereochemie spielt bei der Konstitution
keine Rolle. DaS aber die Stereochemie der Molekule
ebenfalls von Bedeutung ist, zeigte die Entdeckung von
Substanzen, die sich in ihren Eigenschaften deutlich
voneinander unterscheiden, obwohl sie die gleiche
Konstitution haben. le Bel und besonders van't H o g
losten dieses Problem, indem sie - gleichfalls noch im
19. Jahrhundert - den Begriff der Konfiguration einfuhrten.
Die Konfiguration eines Molekuls gegebener Struktur
wird durch die raumliche Anordnung der Bindungen
der Atome oder der Substituenten dieses Molekiils bestimmt. Fur die Konfigurationen fast aller Verbindungen bedeutet dies die Anordnung von Substituenten an
.,unsymmetrisch substituierten Doppelbindungen"
oder an einem ,,Asymmetriezentrum", normalerweise
einem vier verschiedene Gruppen tragenden Kohlenstoffatom. Die Stereoisomerie, die auf diese Weise
entsteht, bezeichnet man im ersten Fall als ,,geometrische Isomerie", im zweiten als ,,optische Isomerie".
Die Zahl der moglichen Stereoisomeren gegebener
Konfiguration betragt 2" x 2m = 2" -t m, wobei n die
Zahl der ,,unsymmetrisch substituierten Doppelbindungen" und m die Zahl der ,,Asymmetriezentren" ist.
Diese Formel van't Ho& des ersten Gewinners eines
Nobelpreises, ist auch heute nach fast hundert Jahren
noch von grundlegender Bedeutung. Die organischen
Chemiker haben an zahlreichen Verbindungen die
Richtigkeit der Struktur- und Konfigurationstheorie
demonstriert. Bislang sind ein bis zwei Millionen
organische Verbindungen dargestellt worden, und wir
kiinnen noch so viele Millionen synthetisieren wie benotigt werden.
van't Hoff hatte sehr genaue Vorstellungen uber die
Ursache des Erfolgs der Formel 2" + m. Sie beruht auf
dem Konzept der ,,beschrankten" Drehbarkeit um
Doppelbindungen und der ,,freien'' Drehbarkeit urn
Einfachbindungen. Diese letzte Annahme war erforderlich, um zu erklaren, weshalb die meisten ,,optischen Isomeren" nicht ebenfalls in unendlich vielen
isomeren Strukturen auftreten. Mit der ,,geometrischen Isomerie" an Doppelbindungen wollen wir uns
in diesem Vortrag nicht weiter beschaftigen. Die optische Isomerie beruht auf dem Chiralitatsprinzip, der
Tatsache, darj ein Objekt und sein Spiegelbild nicht zur
Deckung gebracht werden konnen.
DaI3 die Drehbarkeit um Einfachbindungen tatsachlich nicht immer frei ist, konnten Christie und Ken-
ner 111, denen die Racematspaltung von 6,6'-Dinitrobiphenyl-2,2'-dicarbonsaure ( I ) gelang, im Jahre 1922
zeigen. Ermoglicht wird diese Spaltung durch die voluminosen Substituenten an C-2, C-2', C-6 und C-6', die
die Rotation um die zentrale C-C-Einfachbindung
verhindern. Zahlreiche analoge Beispiele wurden in der
Folgezeit untersucht [21. Abgesehen von diesen speziellen Verbindungen scheinen Rotationsbarrieren in
organischen Molekulen jedoch fur die organischen
Chemiker der damaligen Zeit von untergeordneter
Bedeutung gewesen zu sein, da es noch keine Techniken zum experimentellen Nachweis des Phanomens
gab.
In den dreirjiger Jahren stellten die Physikochemiker
einen Unterschied zwischen der beobachteten und der
berechneten Entropie von Athan fest. Diese Diskrepanz konnte nur durch eine Energieschwelle, die die
freie Rotation der beiden Methylgruppen einschrankt,
erklart werden. Ob jedoch diese Barriere durch Anziehungs- oder AbstoSungskrafte zwischen den Wasserstoffatomen der beiden Methylgruppen entsteht,
war Gegenstand zahlreicher Dispute. Liegt aber eine
derartige Rotationsbarriere im Athanmolekiil vor,
dann sollten ahnliche Barrieren allgemein an aliphatischen und alicyclischen Verbindungen auftreten.
Das Problem lie13 sich durch Untersuchungen am einfachen alicyclischen Kohlenwasserstoff Cyclohexan
( 2 ) und an einigen seiner Derivate klaren. Schon seit
vielen Jahren wurjte man, daI3 fur das Cyclohexanmolekul zwei von Baeyer-Spannung freie Formen denkbar sind: die Wannen- (3) und die Sesselform (4). Diese
Unterscheidung warjedoch fur den organischen Chemiker bedeutungslos, da er nicht wissen konnte, welche
Form bevorzugt war und aul3erdem nicht vermutete,
(3)
(4)
daB dieBevorzugungeinerFormchemischeKonsequenZen hatte. Erst die grundlegenden Elektronenbeugungsuntersuchungen von Hassel[3,41 zeigten klar, daB die
Sesselform (4) immer bevorzugt ist. In dieser Konformation sind die Wasserstoffatome so weit wie moglich
voneinander entfernt und entsprechen in ihrer Lage
der ,,gestaffelten" Form des Athans und allgemein der
aliphatischen Verbindungen. Ahnliche nberlegungen
gelten auch fur mittlere und groI3e alicyclische Ringers]. Man kann deshalb folgern, darj die Rotationsbarrieren in diesen Substanzen auf AbstoSungs- und
nicht auf Anziehungskraften beruhen.
Statt der recht vagen Begriffe Wannen- und Sesselform verwendet man besser einen Oberbegriff. Tatsachlich war das erforderliche Wort ,,Konformation"
[l] G. H. Christie u. J. Kenner, J. Chem. SOC.121, 614 (1922).
[2] E . L. Eliel: Stereochemistry of Carbon Compounds.
McGraw-Hill, London 1962, S. 156ff.
[3] 0.Hassel u. H . Viervoll, Acta Chem. Scand. I , 149 (1947),
und dort zit. Lit.
[4] 0. Hassel u. B. Ottar, Acta Chem. Scand. I , 929 (1947).
[5] V . Prelog, J. Chem. SOC.1950, 420.
828
Angew. Chem. 182. Jahrg. 1970 1 Nr. 20
schon in der Zuckerchemie von W. N. Haworth benutzt
worden [61. Die allgemeinste Definition der Konformation lautet folgendermaBen 171: ,,Die Konformationen
eines Molekiils (definierter Konstitution und Konfiguration) sind diejenigen raumlichen Anordnungen der
Atome des Molekiils, die sich nicht zur Deckung bringen lassen". Diese Definition schlieBt Anordnungen
mit Ringspannung sowie Bindungsdehnung oder
-stauchung ein; sie ersetzt eine altere Definition [8,91,
die diese Phanomene ausschloR. Theoretisch haben
also alle Molekule eine unendlich groBe Anzahl von
Konformationen. Glucklicherweise werden die Schwierigkeiten, die durch eine derartig umfassende Definition entstehen konnten, dadurch verringert, daR normalerweise nur einige der moglichen Konformationen
energetisch begiinstigt sind. Aus diesem Grund darf
man von ,,S:ssel"-, ,,Wannen"- oder ,,Twist-WannenForm" (eine auf halbem Wege zwischen zwei Wannenformen liegende Konformation, vgl. [lo]) des Cyclohexans reden, Konformationen, die alle frei von BaeyerSpannung sind. Die Stabilitat dieser Konformationen
verringert sich in der Reihenfolge Sessel- > TwistWannen- > Wannen-Form.
Wie man leicht sieht, gibt es in der Sesselform des
Cyclohexans zwei geometrisch verschiedene Arten von
C-H-Bindungen 13,111. Sechs der zwolf C-H-Bindungen sind parallel zur dreizahligen Symmetrieachse angeordnet (5) und werden ,,axiale" Bindungen genannt
und die anderen sechs (6) befinden sich ungefahr in einem Aquator urn die Symmetrieachse und
I H
H & p H
H
#
Ii
'
H
(5)
werden deshalb ,,aquatoriale" C-H-Bindungen genannt. Bei der Einfuhrung eines Substituenten in einen
Cyclohexanring kann dieser eine Sesselkonformation
einnehmen, in der sich der Substituent entweder in
axialer oder in aquatorialer Position befindet. Da es
aber zwischen axialen Gruppen auf nicht-bindenden
Wechselwirkungen beruhende AbstoBungskrafte gibt,
wird die Konformation mit aquatorialem Substituenten im allgemeinen bevorzugt [3,111. In mehrfach substituierten Cyclohexanen ist die Konformation mit der
maximalen Anzahl aquatorialer Substituenten bevor[6] W. N . Haworth: The Constitution of the Sugars. Arnold &
Co., London 1929, S. 90.
[7] D . H . R . Bartonu. R . C . Cookson, Quart. Rev. Chem. SOC.
10, 44 (1956).
[8] D . H . R . Barron, Experientia 6, 316 (1950).
[9] D . H . R . Barton, J. Chem. SOC.1953, 1027.
[lo] W.S . Johnson, V . J . Bauer, J . L. Musgrave, M . A . Frisch,
L. H . Dreger u. W . N . Hubbard, J. Amer. Chem. SOC.83, 606
(1961).
[ l l ] C. W. Beckett, K . S. Pitzer u. R . Spitzer, J. Amer. Chem.
S O C . 69, 2488 (1947).
[12] D . H . R . Barton, 0. Hussel, K . S. Pitzer u. V . Prelog,
Nature 172, 1096 (1953); Science 119, 49 (1954).
Angew. Chem. / 82. Jahrg. I970 /
Nr.20
zugt, vorausgesetzt, daB dipolare Wechselwirkungen
nicht iiberwiegen.
Wenn zwei Cyclohexanringe kondensiert sind, z. B. in
den Konfigurationsisomeren trans- (7) und cis-Dekalin (8), konnen die Doppelsesselkonformationen
(9) bzw. (10) auftreten. Bastiansen und Hassel[l31
konnten zeigen, daR diese beiden Konformationen
von den Molekulen tatsachlich bevorzugt werden, wie
das unter Berucksichtigung nicht-bindender Wechselwirkungen zu erwarten ist.
0 Cb
H
H
Ungefahr gleichzeitig mit diesen Arbeiten erschienen
die ersten semi-empirischen, halbquantitativen Berechnungen nicht-bindender Wechselwirkungen in der Literatur 1141. Die Anwendung dieser Methoden auf
Athan, Cyclohexan, trans- und cis-Dekalin [I51 lieferte
Ergebnisse, die qualitativ rnit den schon erwahnten
Resultaten von Hassel und Mitarbeiten ubereinstimmten. Urn diese Berechnungen durchfuhren zu konnen,
die vor der Einfuhrung von Computern aul3erordentlich muhsam waren, wurden besondere Modelle entwickelt 1161, die sich spater bei der Ausarbeitung der
Prinzipien der Konformationsanalyse als sehr nutzlich
erwiesen. Diese Modelle gestatteten auch eine auf der
Konformationsanalyse beruhende Erklarung der Dissoziationskonstanten der Tricarbonsaure (II), die
beim oxidativen Abbau der Abietinsaure (12) [I71 entsteht. Dies war eines der ersten Beispiele fur die Anwendung der Konforniationsanalyse.
Die Zeit war jetzt reif fur eiAe wesentlich breitere Anwendung der Konformationsanalyse. Als wir 1950 unsere Arbeit fur die Experientia schrieben[gl, war die
[13] 0. Bustiansen u. 0 . Hassel, Nature 157, 765 (1946).
[14] I . Dostrovsky, E . D . Hughes u. C . K . Ingold, J. Chem. SOC.
1946, 173; F. H. Westheimer u. J. E. Mayer, J. Chem. Phys.
14, 733 (1946); F. H . Westheimer, ibid. 15,252 (1947).
[15] D . H . R . Barron, J. Chem. SOC.1948, 340.
[16] D. H . R . Burton, Chem. Ind. (London) 1956, 1136.
[17] D . H. R . Burtonu. G . A . Schmeidler, J. Chem. SOC.1948,
1197.
829
Steroidchemie schon ein bedeutendes Gebiet der Chemie [181, das gerade starke zusatzliche Impulse durch
die Entdeckungder Bedeutung des Cortisons bekommen
hatte. Es gab eine umfangreiche Literatur uber stereochemische Tatsachen, die jedoch noch nicht im Hinblick
auf ihre dreidimensionalen Aspekteinterpretiert worden
waren. Die meisten Steroide enthalten drei sechsgliedrige Ringe, an die trans-standig ein funfgliedriger Ring
kondensiert ist. Die beiden haufigsten Konfigurationen
sind in (13) und (14) dargestellt. Vorausgesetzt, dafl
die drei sechsgliedrigen Ringe in beiden Fallen die bevorzugte und einzigartige Dreisessel-Konformation
&J+
H
"u
einnehmen, konnen (13) und (14) in dreidimensionaler Schreibweise als (15) bzw. (16) wiedergegeben
werden. In der Steroidchemie bezeichnet man die Substituenten, die auf der gleichen Seite des Molekiils wie
die beiden Methylgruppen stehen, als p- und diejenigen, die auf der gegeniiberliegenden Seite stehen, als
a-standig. An das Steroidgerust gebundene Substituenten haben also entweder eine a-oder eine P-Konfiguration; die jeweilige Anordnung der Substituenten kann
mit den klassischen Methoden der Stereochemie (Ringbildung und -spahung usf.) bestimmt werden. Von
zentraler Bedeutung fur die Anwendung der Konformationsanalyse auf Probleme der Steroidchemie ist die
Tatsache, dafl die besondere Art der Ringverkniipfung
im Steroidgeriist die Konformation des gesamten
Molekuls eindeutig festlegt; ein Substituent hat also
eine definierte Konfiguration (aoder P) und Konformation (aquatorial oder axial). Da an einem gegebenen Kohlenstoffatom des Steroidsystems ein Substituent in aquatorialer Anordnung stabiler als in axialer
sein wird, folgt, daB man bei einem Isomerenpaar die
stabilere Konfiguration unmittelbar vorhersagen kann.
Beispielsweise sollte ein 3P-substituiertes (= aquatoriales) trans-AIB-Steroid (17) stabiler sein als die ent-
[18]L. F. Fieser u. M . Fieser: Natural Products related to
Phenanthrene. Reinhold, New York 1949, 3. Aufl.
830
sprechende 3a-substituierte (= axiale) Verbindung
(18). Diese Vermutung wird durch das Experiment
bestatigt. Das gleiche Argument gilt fur alle anderen
substituierbaren Positionen in den sechsgliedrigen
Ringen des Steroidgeriists; im allgemeinen findet man
gute Ubereinstimmung mit dem Experiment. Auch bei
anderen Molekulen, in denen starre all-Sesselformen
vorliegen, z. B. bei Triterpenen, sind diese Prinzipien
anwendbar.
Die relative Stabilitat der Substituenten wird durch
nichtbindende Abstoflungskrafte bestimmt (sterische
Wechselwirkung). Aus diesem Grund kann man nicht
nur vorhersagen, welches Isomere (E oder P) bei einer
chemischen Reaktion entsteht, die aus mechanistischen
Griinden das stabilere Produkt ergibt, sondern man
kann auch ganz allgemein Reaktionen, deren Verlauf
durch sterische Wechselwirkungen bestimmt wird,
besser verstehen. Da beispielsweise bei der alkalischen
Hydrolyse von Estern der Ubergangszustand mehr
Raum als der Grundzustand beansprucht, kann man
voraussagen, daB das aquatoriale Isomere schneller als
das axiale hydrolysiert. Dieses Prinzip gilt allgemein;
es hilft deshalb bei Voraussagen iiber selektive Hydrolysereaktionen.
Jede chemische Reaktion verlauft iiber einen Ubergangszustand; seine Geometrie ist in vielen Fallen genau festgelegt. Die bevorzugte geometrische Anordnung einer Ez-Eliminierung [191, bei der zwei an benachbarten Kohlenstoffatomen stehende Substituenten durch den Angriff eines Reagens gleichzeitig eliminiert werden, ist diejenige, in der sich die beiden Kohlenstoffatome und die beiden Substituenten X und Y
in einer Ebene befinden. Es sind jedoch zwei Anordnungen moglich: entweder stehen die Substituenten
in anti- (19) oder in syn-Stellung (20) zueinander.
Wahrend die letztere Geometrie bei Steroiden ohne
Verzerrung einer Sesselkonformation nicht erreicht
werden kann, liegen trans-l,2-diaxial substituierte Verbindungen, z. B. (21), nicht jedoch das entsprechende
trans-l,2-diaquatorial substituierte Isomere (22), unweigerlich in der anti-Form (19) vor. Besonders deutlich werden diese geometrischen Zusammenhange,
wenn man entlang der C-5-C-6-Bindung blickt. Die
Projektionen der Verbindungen (21) und (22) sind in
(23) bzw. (24) dargestellt. Die bimolekulare Ez-Eliminierung der beiden Bromatome durch Jodidionen [vgl.
(25) [201] sollte also beim Dibromid (21) wesentlich
schneller als beim Dibromid (22) verlaufen. Gliicklicherweise konnten beide Verbindungen dargestellt
und ihre Konfigurationen bestimmt werden [211. In
[19] M . L . Dhar, E. D . Hughes, C. K. Ingold, A . M . M. Mandour, G. A . Maw u. 15.I . Woolf, J. Chem. SOC.1948, 2093.
[20] W . G. Young, D . Pressman u. C . Coryell, J. Amer. Chem.
SOC. 61, 1640 (1939); S. Winstein, D . Pressman u. W. G . Young,
ibid. 61, 1646 (1939).
[21] D . H . R . Barton u. E . Miller, J. Amer. Chem. SOC.72,
1066 (1950).
Angew. Chem. / 82. Jahrg. 1970 / Nr. 20
zweier axialer in zwei aquatoriale Kohlenstoff-BromBindungen, wird allgemein bei 1,ZDibromiden beobachtet [22,231. Nach unseren Vorstellungen sollte
diese Umlagerung Teil einer allgemeinen Umlagerung
Br
diaxial
(22)
H
Br (C-5)
'"Br (C - 6)
%
diaquatorial
(26)
& (27)
sein. Tatsachlich konnte die Richtigkeit dieser Annahmen durch geeignete Auswahl der Substituenten X
und Y bewiesen werden[27-291. In der Praxis kann
man rnit dieser Reaktion auf einfache Weise eine
Sauerstoffunktion von einem Kohlenstoffatom zu
einem benachbarten Kohlenstoffatom verschieben.
c -4
Ubereinstimmung rnit der Vorhersage ist die Eliminierungsgeschwindigkeit des Dibromids (21) mehrere
Zehnerpotenzen grol3er als die des Dibromids (22) [211.
Dies war das erste Beispiel fur ein Phanomen, das man
spater recht haufig bei Dibromiden sowie bei vielen
anderen Verbindungen mit eliminierbaren funktionellen Gruppen beobachtet hat [227231. Die geometrischen
Anforderungen der ubergangszustande zahlreicher
anderer Reaktionen konnen im allgemeinen an Steroiden oder anderen Molekiilen rnit fixierter Konformation ermittelt werden.
Den Nachbargruppeneffekt, der auch bei Steroiden
recht haufig auftritt [241, kann man nur aufgrund konformationsanalytischer Uberlegungen erklaren (diaxiale Beteiligung). Ahnlich verhalt es sich rnit der
Offnung kleiner Ringe, beispielsweise von Halogeniumionen 124,251 oder von Epoxiden 19,261, die hauptsachlich zu diaxialen, nicht jedoch zu diaquatorialen
Produkten fiihrt.
Lal3t man eine Losung des diaxialen Dibromids (21)
bei Zimmertemperatur stehen, dann stellt sich spontan
ein Gleichgewicht mit dem stabileren diaquatorialen
Isomeren (22) ein. Diese Reaktion, die Umwandlung
[22] D . H . R. Barton u. W . J. Rosenfelder, J. Chem. S O ~ 1951,
.
1048; D . H . R . Barton, Bull. SOC. Chim. Fr. 1956,973; D. H . R .
Barton, A . DaS. Campos-Neves u. R . C. Cookson, J. Chem.
SOC. 1956, 3500.
[23] D . H . R. Barton u. A . J. Head, J. Chem. SOC. 1956, 932.
[24] G. H . Alt u. D. H. R. Barton, J . Chem. SOC. 1954, 4284.
[25] D . H. R . Barton, E . Miller u. H . T . Young,J. Chem. SOC.
1951, 2598.
[26] Siehe D. H . R. Barton u. G. A . Morrison, Fortschr. Chem.
Org. Naturst. 19, 165 (1961).
Angew. Chem. / 82. Jahrg. I970 / Nr. 20
Bislang haben wir uns hauptsachlich rnit der Korrelation von Asymmetriezentren bekannter Konfiguration rnit ihren vorhergesagten Konformationen beschaftigt. Naturlich kann man auch in umgekehrter
Reihenfolge vorgehen. Setzt man voraus, dal3 eine bestimmte Verbindung in einer all-Sesselkonformation
vorliegt, kann man rnit Hilfe obiger Uberlegungen auf
die Konfiguration der Verbindung schliel3en. Die Methode wurde erstmals in der Terpenchemie angewendet. Die natiirlich vorkommende Oleanolsaure (28)
hat acht Asymmetriezentren und kann also im Prinzip
in 27 = 128 racemischen Konfigurationen auftreten.
In der Natur findet man jedoch nur eine einzige Konfiguration ((+) oder (-)). D a die Konformationsanalyse bei gesattigten sechsgliedrigen Ringen einfacher
ist, untersuchten wir die gesattigte Oleananolsaure
(29), die einem Racemat von 28 = 256 moglichen racemischen Konfigurationen entspricht. Die Konforma-
[27] D . H . R . Barton u. J . F. King, J. Chem. SOC. 1958, 4398.
[28] D . H . R . Barton, Svensk Kern. Tidskr. 71, 256 (1959);
Suomen Kemistilehti 32, 27 (1959).
[29] J. F. King, R . G. Pews u. R . A . Simmons. Can. J. Chem.
41, 2187 (1963).
83 1
tionsanalyse erwies sich als so auBerordentlich nutzlich, daB das Problem der Konfigurationszuordnung
durch alleinige Anwendung chemischer Methoden auf
die Wahl zwischen den Alternativen (30) und (31)
reduziert wurde [301. Eine spater durchgefuhrte Rontgenstrukturanalyse zeigte dann, daB Formel (31), der
die planare Schreibweise (29) entspricht, richtig ist [311.
Durch Anwendung der Konformationsanalyse gelang
die Konfigurationszuordnung bei typischen Triterpenen wie Lanosterin (32) 1321, Euphol(33) [331, Cycloartenol (34) [341 und Onocerin (35) [351 gleichzeitig
mit der Ermittlung ihrer Konstitution. Heutzutage laBt
sich eine Rontgenstrukturanalyse naturlich so einfach
A
H
Nfe 'Me
(36)
(37)
H
Me
H
0
(39)
@
Ho@ye
Me
HO
Me Me
M e Me
(33)
(34)
(35)
und so schnell durchfuhren, daI3 die Bestimmung einer
Konfiguration durch Konformationsanalyse nicht
mehr die Bedeutung wie friiher hat. Diese Methode war
jedoch in den fruhen fiinfziger Jahren wichtig und ist
auch heute noch nutzlich, wenn die zur Rontgenstrukturanalyse erforderlichen Gerate nicht zur Verfiigung stehen. Die Rontgenstrukturanalyse hat den
groDen Vorteil, daB mit ihr gleichzeitig Konstitution,
Konfiguration und die im Kristall vorherrschende
Konformation bestimmt werden konnen. Im allgemeinen entspricht die im Kristall bevorzugte Konformation derjenigen, die man auf Grund einer Konformationsanalyse vorhersagen wurde.
Bis 1957 kannte man keine Ausnahme von der Regel
der bevorzugten Sesselkonformation von Molekulen,
in denen die Konfigurationen der Asymmetriezentren
eine Wahl zwischen Wannen- und Sesselform erlauben.
[30] D . H . R . Barton u. N . J. Holness, J. Chem. SOC.1952, 1 8 .
[31] A . M . Abel el Rehim u. C . H . Carlisle, Chem. Ind. (London) 1954, 219.
[32] W . Voser, M . V . Mijovic, H . Heusser, 0 . Jeger u. L . Ruzicka, Helv. Chim. Acta 35,2414 (1952); C. S. Barnes, D . H . R .
Barton, J. S. Fawcett u. B. R . Thomas, J. Chem. SOC.1953, 576.
[33] D . H . R. Barton, J . F. McGhie, M. K . Pradhan u. S. A .
Knight, Chem. Ind. (London) 1954, 1325; J. Chem. SOC.1955,
876; D . Arigoni, R . Viterbo, M . Dunnenberger, 0 . Jeger u.
L . Ruzicka, Helv. Chim. Acta 37, 2306 (1954).
[34] D . H . R . Barton, J. E . Page u. E. W. Warnhoff,J. Chem.
SOC.1954, 2715; D. S. Irvine, J . A . Henry u. F. S . Spring, ibid.
1955, 1316.
[35] D . H . R . Barton u. K . H . Overton, J. Chem. SOC.1955,2639.
832
Bei Arbeiten [361 iiber die Bromierung von Lanostenon
(36) wurden zwei Bromketone in 95- bzw. 5-proz.
Ausbeute erhalten. Unter der Annahme, daI3 Ring A
in einer Sesselkonformation vorliegt, sollten diese Verbindungen die 2u- (37) bzw. die 2P-Konfiguration
(38) haben. Es konnte jedoch IR- und UV-spektroskopisch gezeigt werden, daB in beiden Isomeren das
Bromatom aquatorial angeordnet ist. Weitere chemische Untersuchungen zeigten, da8 die 2p-Bromverbindung die Wannen- (oder genauer die Twist-Wannen-)Konformation (39) besitzt. Diese erste Ausnahme von
der normalerweise bevorzugten Konformation beruht
auf den starken 1,3-diaxialen Wechselwirkungen zwischen den Methylgruppen und dem Bromatom [vgl.
(38)] sowie auf der Tatsache, daB Ring A ein trigonales Kohlenstoffatom (in der Carbonylgruppe) enthalt.
I n spateren Arbeiten wurde diese konformative Anomalitat eingehend untersucht [371 und ihre Realitat
durch NMR-spektroskopische Untersuchungen bewiesen [381.
Winstein und Holness [391 und besonders E l i e l [ 4 0 1 gaben der Konformationsanalyse eine quantitative Basis. Eliel, eine anerkannte Autoritat auf diesem Gebiet,
hat die Unterschiede der freien Energien axialer und
aquatorialer Substituenten in sechsgliedrigen Ringen
eingehend untersucht [411: Trotzdem warten noch einige
subtile Konformationsprobleme bei Molekulen wie
Steroiden und Triterpenen auf eine quantitative Deutung. Setzt man beispielsweise die Geschwindigkeit
der Kondensation (unter schwach basischen Bedingungen) von Benzaldehyd mit Lanostenon (26)
zum 2-Benzyliden-Derivat (40) gleich 100 [23,421, dann
betragen die Reaktionsgeschwindigkeiten der einfa[36] D . H . R. Barton, D . A. Lewis u. J . F. McGhie, J. Chem.
SOC.1957, 2901.
[31] J. E . D . Levisalles, Bull. SOC.Chim. Fr. 1960, 551; M . BaIasubramanian, Chem. Rev. 62, 591 (1962).
[38] R. J . Abraham u. J . S . E. Hollzer, J. Chem. SOC.1963, 806.
[39] S. Winstein u. N . J . Holness, J. Amer. Chem. SOC.77,
5562 (1955).
[40] Siehe E. L.Eliel: Stereochemistry of Carbon Compounds.
McGraw-Hill, London 1962.
[41] E. L . Eliel, N . L . Allinger, S. J. Angyal u. G . A. Morrison:
Conformational Analysis. Interscience, New York 1965.
[42] D . H. R . Barton, Experientia, Suppl. I1 1955,121 ; D . H . R .
Barton, A . J. Head u. P . J. May, J. Chem. SOC.1957, 935;
D . H . R . Barton, F. McCapra, P . J. Mav u. F. Thudium, ihid.
1960, 1297; D . H . R. Barton: Theoretical Organic Chemistry.
The Kekule Symposium 1958, 127.
Angew. Chem. 182. Jahrg. 1970 / Nr. 20
chen, nicht-polaren Derivate Lanostanon (41) und des
isomeren Olefins (42) 55 bzw. 17. Analog entsteht aus
Cholestanon [(43); R = CsHl,] das 2-BenzylidenDerivat (44) rnit einer relativen Reaktionsgeschwindigkeit von 182. Auch einige andere im funfgliedrigen
Ring substituierte Derivate (43) reagieren mit praktisch gleichen Geschwindigkeiten. Derngegenuber kondensieren die isomeren Olefine (45) und (46) rnit Geschwindigkeiten von 645 bzw. 43. Die Anderung der
Position einer (relativ) weit vom Reaktionszentrum
entfernten Doppelbindung verursacht also eine 15fache Veranderung der Geschwindigkeitskonstanten.
@
O
Verstandnis des chemischen Verhaltens dieser Ringsysteme von grol3em Wert [MI. Zweifellos wird man in
absehbarer Zeit auch die feineren Einzelheiten von
Konformationen berechnen konnen (wie etwa die erwahnte konformative Transmission). Und schlieiDlich
wird man auch Phanomene wie die optische Aktivitat,
die optische Rotationsdispersion und den Circulardichroismus in quantitativer Hinsicht verstehen [45J.
Obgleich die Prinzipien der Konformationsanalyse am
deutlichsten an gesattigten, sechsgliedrigen Cyclohexansystemen demonstriert werden konnen, sind diese
GesetzmaiDigkeiten auch zum Verstandnis der Reaktionen ungesattigter und heterocyclischer Verbindungen von Wert. Beispielsweise kann man Cyclohexen
die in (47) gezeigte Konformation mit aquatorialen
B
Me Me
Q $
(41)
H
(55)
(47)
a
(48)
(49)
- phc33]
H
(44)
(42)
(17)
(44)
(43)
Unserer Meinung nach beruhen diese Ferneffekte auf
der ,,konformativen Transmission", wobei die durch
Substituenten hervorgerufenen Anderungen der Bindungswinkel uber weitaus groBere Entfernungen im
Molekiil weitergeleitet werden als bislang angenommen wurde. Qualitative und semi-quantitative Erklarungen dieser Phanomene wurden vor einiger Zeit
veroffentlicht [431.
Wie schon erwahnt, kann mit semi-empirischen Methoden die bevorzugte Konformation eines Molekuls
berechnet werden. Nachdem heutzutage die zahllosen
Rechenoperationen von Computern bewaltigt werden,
sind betrachtliche Fortschritte moglich geworden. Beispielsweise sind die bevorzugten Konformationen von
alicyclischen Systemen mit mehr als sechs Ringgliedern berechnet worden. Diese Berechnungen sind zum
1431 M . Legrand, V . Delaroff u. J . Mathieu, Bull. SOC.Chim.
Fr. 1961, 1346; R. Bucourt, ibid. 1962, 1983; 1963, 1262;
M . J . T. Robinson u. W. B. Whalley, Tetrahedron 19, 2123
(1963); R . Baker u. J . Hudec, Chem. Commun. 1967, 891.
Angew. Chem. 182. Jahrg. I970 1 Nr. 20
und axialen Wasserstoffatomen zuschreiben. Hier nehmen die mit einem Strich versehenen Wasserstoffatome
quasi-aquatoriale und quasi-axiale Positionen ein [461.
Die Konformation des Cyclohexens ist leichter zu verandern als die des Cyclohexans, selbst wenn das Cyclohexen an andere Ringsysteme kondensiert ist. Trotzdem wird in der Konformationsanalyse das Symbol
(47) als adaquate Beschreibung der wirklichen Verhaltnisse angesehen.
Durch Einfiihrung von Heteroatomen in einen Cyclohexanring - wie in Piperidin (48) oder Tetrahydropyran (49) - entstehen konformative Probleme von
betrachtlichem Interesse und groDer Komplexitat. So
mu13 z. B. berucksichtigt werden, ob einsamen Elektronenpaaren ein ,,Volumen" zukommt oder nicht.
Wenn ja, ergibt sich das zusatzliche Problem, ob es
gro13er oder kleiner als ein an ein Heteroatom gebundenes Wasserstoffatom ist 171. Bei der Losung derartiger Probleme hat sich rasch ein neues Gebiet der Konformationsanalyse entwickelt [41,471.
Ursprunglich basierte die Entscheidung fur eine bestimmte Konformation eines Molekuls im wesentlichen auf Erkenntnissen, die man durch Untersuchungen uber die Elektronenbeugung einfacher Molekule
erhalten hatte. Heutzutage ist die Rontgenstrukturanalyse eine genaue und schnelle Methode zur Ermittlung der Konformation eines Molekiils im Kristallgitter. Diese Konformation entspricht im allgemeinen auch derjenigen, die das Molekul in Losung
[44] J . B. Wendrickson, J. Amer. Chem. SOC. 83, 4537 (1961);
siehe auch N. L. AIlinger, ibid. 81, 5727 (1959); R. Pauncz u.
D. Ginsburg, Tetrahedron 9, 40 (1960).
[45] C. Djerassi: Optical Rotatory Dispersion. McGraw-Hill,
New York 1960; W. Moffitt, R. B. Woodward, A . Moskowitz,
W . Klyne u. C. Djerassi, J. Amer. Chem. SOC.83, 4013 (1961);
G . Snatzke: Optical Rotatory Dispersion and Circular Dichroism in Organic Chemistry. Heyden, London 1967; J. Hudec, J. Chem. SOC.,im Druck.
[46] D . H . R . Barton, R . C. Cookson, W . Klyne u. C. W.
Shopee, Chem. Ind. (London) 1954,21.
[47] F. G. Riddell, Quart. Rev. Chem. SOC. 21, 364 (1967).
833
bevorzugt. Neben der Rontgenstrukturanalyse hat
sich jedoch im vergangenen Jahrzehnt eine andere physikalische Methode, die kernmagnetische Resonanzspektroskopie, als auBerordentlich niitzlich zur Konformationsbestimmung bei gelosten Stoffen erwiesen.
In zahlreichen Fallen konnten auBerst detaillierte Konformationsanalysen durchgefuhrt werden. Ein einfaches Beispiel, das grol3e Folgen fur die Kohlenhydratchemiker hatte, ist die Arbeit von Lemieux und seinen
Kollegen [481.
Bei einer Enzymreaktion reagiert ein grol3es Molekul
- das Enzym - mit einem relativ kleinen Partner,
dem Substrat. Um die Wirkungsweise eines Enzyms
vollstandig zu verstehen, muD man die Konformationen des Substrats und des Enzyrns sowie die Reaktivitat der funktionellen Gruppen kennen. Wir sind
[48] R. U. Lemieux, R . K. Kullnig, H . J. Berstein u. W . G .
Schneider, J. Amer. Chem. SOC.80, 6098 (1958).
heutzutage so weit, daB wir fur die meisten Substrate
die in einer bestimmten Reaktion bevorzugte Konformation beschreiben konnen. Die Konformationen
von Steroid-Substraten wird man schon in sehr naher
Zukunft sehr genau bestimmen konnen, und dieses
Wissen muB zu wichtigen Konsequenzen in der Biologie fiihren.
Dab vor kurzem zwei ausgezeichnete Monographien
uber die Konformationsanalyse erschienen sind 141,491,
die unser gegenwartiges Wissen uber dieses Gebiet zusammenfassen, ist ein Beweis, daB die Konformationsanalyse inzwischen miindig geworden ist. Im Ruckblick ist es interessant, festzustellen, wie eine Hypothese als Samenkorn sich zu einem Baum des Wissens
entwickelt hat.
[A 7891
Eingegangen am 25. Februar 1970
Ubersetzt von DI. Henning Hopf, Karlsruhe
[49] M. Hanack: Conformation Theory. Academic Press, New
York 1965.
Z U S CHRIFTEN
Synthese und Reaktionen substituierter
(Dibenzoyldioxyjod)benzole, einer neuen Klasse
organischer Oxidantien[* *I
Von Eofo Plesnitar und Glen A . Russell[*]
Durch Reaktion von Jodosylbenzolen mit substituierten
Perbenzoesauren in Chloroform/Methanol (8:l) bei 0 "C bilden sich die sehr reaktiven (Dibenzoyldioxyjod)benzole (I)
mit dreiwertigem Jod.
Die Verbindungen ( l j sind farblose oder gelbe amorphe Substanzen, die bei 80-120°C detonieren und die schon bei
Raumtemperatur im festen Zustand zu Selbstentziindung und
zum Detonieren neigen. 1 mol (I) setzt mit Jodidionen 3 mol
Jod frei.
In der Tabelle sind die physikalischen Eigenschaften der Verbindungen ( I ) und der entsprechenden sauerstoffarmeren
(Dibenzoy1oxyjod)benzole (2) [erhalten aus Jodosylbenzolen
und Benzoesauren in Chloroform/Methanol(5:1)]zusammengestellt .
X-Ar-JO
+ 2 Y-Ar-CO3H
+ X-Ar-J(0-0-CO-Ar-Yh
(1)
X-Ar-JO + 2 Y-Ar-COzH
Ar = C6H4
Y
X
Akt. Sauerstofl
Ausb.
( %)
( %)
ber.
-
- -H
H
H
H
p-c1
P-CI
p a
p-c1
O-CH3
m-C1
m-C1
p-NO2
P-NOZ
m-C1
m-C1
P-NOZ
P-NOZ
P-NOZ
70
60
70
63
83
58
70
49
79
+ X-Ar-J(O-CO-Ar-Y)2
93 (Zers.)
136-1 37
115 (Zers.)
211-212 Icl
78 (Zers.)
164-165
103 (Zers.)
213-214
98 (Zers.)
1744st, 1725st 8.77
1650st, 1630s 3.10
1749st, 1729st 8.44
2.98
1651
1735st, 1720st 8.25
1655st. 1630s 2.91
1747st, 1726st 7.94
1665s, 1642st 2.80
8.24
1740
8.7
3.2
8.4
2.8
8.1
2.8
8.0
2.7
8.3
zu iibertragen (Schema 1). (1) geht dabei in (2) iiber; Ausnahmen sind die Oxidation des Jodidions (s.o.) und des Triphenylphosphins, bei der Jodbenzol entsteht. Dibenzylsulfid
und Jodbenzol werden selbst bei groBem Substratuberschua
zum Sulfon bzw. zu Jodylbenzol oxidiert. Die Reaktionen
wurden NMR-spektroskopisch verfolgt.
(la)
(la)
+ CHaSOCH, + C H ~ S O Z C H+~( 2 4 (20 min, 100 %)
+ C ~ H ~ C H ~ S C H ~+
C ~CH~ S
H S C H ~ S O ~ C H ~fC (2a)
~HS
(20 min. 100 %)
+ Pyridin + Pyridin-N-oxid + (2a) (30 min, 85 %)
(la) + C ~ H S J + CsHsJ02 f (2a) (60 min, 72 %)
(la) + (CsHshP + (C6Hs)aPO + C ~ H S J(10 Inin, 85 %)
( l a ) + Styrol
Styroloxid + ( 2 4 (45 min, > 80%)
( l a ) + trans-Stilben
trans-Stilbenoxid + (2a) (90 min,
(la)
--t
-f
> 90 %)
Schema 1. Reaktionen von [Bis(m-chlorbenzoyldioxy)jod]benzoI ( l a )
bei 28 "C in CHzClz, 20 % UberschuD an ( l a ) [unter der Annahme berechnet, daD ( l a ) zwei aktive Sauerstoffatome enthslt].
Die schlechte Loslichkeit der (Dibenzoyldioxyjod)benzole
(1) erschwerte die Untersuchung der Zersetzung in homogener Phase. 0.02 M Lbsungen von (la) oder ( I b ) in Dichlormethan/Chloroform lieferten nach einigen Stunden bei
Raumtemperatur Jodylbenzol ( S ) , das Diaroylperoxid und
die Arencarbonsaure. In Chloroform verlief die Zersetzung
schneller als in Dichlormethan; das Biphenyl oder Kohlendioxid wurden nicht entdeckt. Dies legt nahe, daR die (Dibenzoy1dioxyjod)benzole ( I ) sich ausgezeichnet zum Abfangen von Aroyloxy-Radikalen eignen. Die Hydrolyse der
Verbindungen (1) durch Feuchtigkeitsspuren kann zwar zu
Komplikationen fiihren [*I, doch halten wir eine homolytische
Zersetzung fur den wahrscheinlichsten Weg.
(I .O mol)
(1.0 mol)
( 3 ) (0.8 mol)
(3) (0.9 mol)
(1.7 mol)
(1.4 mol)
(0.1 mol)
(0.5 mol)
[a] In Nujol. [b] Jodometrisch bestimmt. [c] Fp = 209 "C [l].
Zu unserer Uberraschung lieBen sich die (Dibenzoyldioxyjod)benzole (1) isolieren. Sie sind wirkungsvollere Oxidantien als die Peroxysauren. Dariiber hinaus scheinen sie an
Substrate wie Sulfide oder Jodbenzole zwei Sauerstoffatome
834
Allgemeine Arbeitsvorschrift fir
(Dibenzoyldioxyjod) benzole ( 1 )
Die substituierte Perbenzoesaure (15 mmol) lost man bei
@-5 "C in 100 ml Chloroform/Methanol(8:1) und setzt unter
Riihren Jodosylbenzol (5 mmol) zu. Nach 15 min Riihren
Angew. Chem. 182. Jahrg. 1970 Nr. 20
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